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热电（TE）材料将在未来技术中扮演重要角色。尽管有关TE材料的应用研究已经历时颇长，但大多局限于高温设备。近日，大阪大学与日立公司合作，研发了一种新型的TE材料，在室温下也具备较好的功率因数。该新型材料可能将打破高温的限制，使其进入更广泛的应用领域。相关研究结果刊载于《固体物理》中。
TE材料的热电效应是这样显现的：一侧加热，电流开始流动。反之，在设备中通入外电流，材料将出现温度梯度——一侧比另一侧温度更高。通过热与电之间的转换，TE材料可以作为发电机（外加热源），也可以作为冷却机（外加电源）。
理想的TE材料应该不仅具备高导电性（电流通过顺畅），还应该具有较低的导热系数（防止温度梯度消失）。发电机性能主要取决于功率因数，该因数与电导率和塞贝克系数（半导体材料的温差电动热）成正比。“然而遗憾的是，大多数TE材料都基于稀有或有毒元素。”研究人员Sora-at Tanusilp讲道，“为了解决这一问题，我们将TE材料中的常见元素——硅，和镱一起，制造了硅化镱（YbSi2）。我们选择镱主要基于这几个原因：首先，镱类化合物具有良好的导电性能；其次，YbSi2是无毒的。更为重要的是，这种化合物具有一种被称为价态起伏的特殊性质，这能使其在低温下也可以作为良好的TE材料。”
YbSi2的首个优点是，Yb具有混合价态（+2和+3）。价态起伏也被称为近藤共振，这可使其在低温下增大塞贝克系数的同时，维持类金属的高电导率。即前面提到的功率因数。其次，YbSi2具有特殊的层状结构。当镱原子占据了与纯镱金属类似的晶体平面时，硅原子将在层间形成六边形薄层，就像石墨中的碳层一样。硅层隔绝了材料中的热传导，因而使热导率降低，从而保持温度梯度的稳定。研究人员认为，通过控制层状结构的纳米尺寸、掺杂以及结构缺陷，可以进一步抑制热传导。
研究人员最终获得了一种在室温下具有良好功率因数（2.2 mWm-1K-2）的TE材料。这与基于碲化铋的传统TE材料相比，同样具有竞争力。正如论文的通信作者Ken Kurosaki所言：“Yb的使用表明我们可以通过对金属元素的仔细筛选，以调和TE材料性能和现实需求之间的矛盾。具有中等功率的室温下的TE设备，将成为传统高温、高功率设备的良好补充。这对解锁TE材料进入日常科技有所帮助。”
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编译：Coke 审稿：三水 编辑：张梦
